一个看似矛盾的科学问题，正在影响南海沿岸重大工程的安全设计：如果多年平均台风最大风速并未显著增加，为什么强台风、巨浪和高等级海洋灾害带来的风险却可能持续上升？中国科学院南海海洋研究所高级工程师罗耀联合华南理工大学团队，第一作者为联合培养博士研究生方非凡，围绕这一问题开展连续研究，从台风强度分布、极端波浪统计模型到海岸工程设计应用，形成了“机理识别—模型创新—风险量化”的完整研究链条。相关成果以“Non-stationary extreme value models to account for the intensification of extreme typhoon waves”、“Intensification of typhoon extremes along the South China coast: a standard deviation perspective”和“Intensification of typhoon extremes along the South China coast: a standard deviation perspective”为题，先后发表于《Ocean Engineering》和《Natural Hazards》。

研究发现，极端风险的增加不一定表现为平均值上升，更可能源于台风强度分布逐渐“变宽”：弱台风和一般台风的平均状态变化有限，但最强一端出现更极端事件的概率不断增加。这一认识突破了仅用均值判断台风变化的传统思路，也为气候变化背景下海洋工程设计标准的动态调整提供了新的科学依据。

从“均值变化”转向“分布展宽”：识别台风极端增强的新信号

研究团队基于1979—2024年中国气象局最佳路径资料和IBTrACS中的美国联合台风警报中心资料进行独立敏感性检验，系统分析南海沿岸西广东、珠江口、海南岛、东广东和西沙群岛等重点区域台风最大风速、最低中心气压及功率耗散指数的均值与标准差变化。

图1 基于20年滑动窗口的台风峰值有效波高（SWH）标准差变化趋势

结果表明，南海沿岸台风强度增强信号更稳定地体现在标准差变化上，而不是区域平均值整体抬升。区域平均最大风速长期趋势总体不显著，但最低中心气压标准差呈显著增加趋势，说明台风强度分布正在展宽，极端强台风出现的概率随之提高。不同岸段还表现出明显空间差异，部分近岸区域的极端强度和离散度增长更为突出。该成果从台风“驱动端”解释了为何在平均状态变化不明显时，极端巨浪、风暴潮和工程荷载仍可能持续增强。

把“离散度增强”写入模型：重新评估百年一遇设计波高

针对传统非平稳极值模型主要描述均值或位置参数变化、难以反映极端波高离散度增强的问题，研究团队将显著波高序列的标准差设置为随时间变化的参数，构建了新的非平稳Poisson—Gumbel复合极值模型。该方法既保留台风事件发生频率信息，又能够描述台风峰值波高分布逐渐展宽和尾部风险上升的过程。

南海沿岸算例表明，在历史增强趋势延续的情景下，未来100年一遇显著波高可增加2.67米，较当前设计值提高28.04%；由于防波堤护面块体重量与设计波高近似呈三次方关系，相应护面块体重量需求可能增加109.9%。研究说明，若仍沿用平稳假设，或只考虑平均波高变化，可能明显低估长重现期设计波高及其工程后果。论文同时指出，上述结果属于基于历史趋势的风险情景，未来变化仍受温室气体排放路径、台风活动和区域海洋环境响应等因素影响。

发展多参数非平稳方法：模型并非越复杂越好

在此基础上，团队进一步发展两参数和三参数非平稳Poisson-Gumbel模型。两参数模型允许事件峰值波高分布的位置和尺度同时随时间变化；三参数模型进一步引入台风波年发生率的时间变化。研究选取南海沿岸三个代表站点，并引入名濑站长期实测资料进行独立验证，综合采用AIC、BIC、似然比检验和概率积分变换等方法，评估模型复杂度及拟合可靠性。

图2 预测重现期有效波高（SWH）的多站点对比。(a) YX、PRE、YD 和 Naze 站点处 SPG、NSPG-EV、NSPG-2P 和 NSPG-3P 方案的 H50 预测值；(b) 上述站点及方案的 H100 预测值。误差棒表示 95% 自助法（bootstrap）置信区间。Naze 站点为基于实测波浪记录的外部观测验证站点。

结果显示，台风事件峰值波高的非平稳信号主要集中在离散度和高分位区间，并具有明显站点差异。多参数模型普遍给出比平稳模型更高的长重现期波高，且模型间差异随重现期增加而扩大。在主要站点，50年一遇显著波高由平稳模型的9.42米提高至不同非平稳模型的11.06—11.80米，对应护面块体重量增加约32.00%—50.03%。研究同时强调，模型并非越复杂越好：仅尺度参数随时间变化的模型在多个南海站点获得更稳健的统计支持，而两参数和三参数模型更适合作为有限规划期内的风险情景，用于评估多种非平稳因素共同演变时的工程敏感性。

深化所校合作，服务“一带一路”海洋防灾减灾合作

该系列成果由中国科学院南海海洋研究所罗耀高级工程师与华南理工大学共同完成，发挥了我所在热带海洋环境、台风海浪过程与国际海洋合作方面的优势，以及华南理工大学在海岸工程、极值统计和工程设计方面的专长。双方通过数据分析、数值模拟、统计建模和工程应用的交叉融合，推动了基础科学问题与重大工程需求的有效衔接。

作为中国科学院南海海洋研究所面向“一带一路”共建国家开展海洋科技合作的重要平台，中国—斯里兰卡联合科教中心长期聚焦印度洋及南海周边海洋灾害监测、预报与风险防控。此次形成的非平稳极值分析方法，不仅可服务粤港澳大湾区、海南岛及南海沿岸港口、防波堤、海上平台和海洋能源设施，也可为斯里兰卡、马尔代夫等“一带一路”共建国家的港口建设、沿海基础设施韧性提升和气候适应规划提供可迁移的方法工具。

面向海上丝绸之路沿线国家普遍面临的热带气旋、巨浪和风暴潮风险，研究团队下一步将依托中国-斯里兰卡热带海洋环境“一带一路”联合实验室，中国—斯里兰卡联合科教中心等国际合作平台，加强与共建国家科研机构、高校和港航单位的联合观测、数据共享与人才培养，推动非平稳海洋灾害风险评估方法在典型港口和岛礁地区开展示范应用，为“一带一路”海洋基础设施安全和区域可持续发展提供科技支撑。

本系列研究得到我所中国科学院关键技术人才计划和广东省科技计划项目等项目第一资助，并依托中国-斯里兰卡热带海洋环境“一带一路”联合实验室，中国—斯里兰卡联合科教中心开展科研协作。

论文信息：1. Fang, F., Zhu, L., Luo, Y. * (2025). Non-stationary extreme value models to account for the intensification of extreme typhoon waves. Ocean Engineering, 324, 120672.

2. Fang, F., Zhu, L., Luo, Y.* (2026). Intensification of typhoon extremes along the South China coast: a standard deviation perspective. Natural Hazards, 122, 239.

3. Fang, F., Zhu, L.*, Luo, Y. (2026). A new nonstationary multi-parameter method for estimating return period significant wave heights in typhoon-prone seas. Ocean Engineering, 363, 126852.

论文链接：1. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2025.120672

          2. https://doi.org/10.1007/s11069-026-08004-0

          3. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2026.126852